等离子体火箭充电就能轻松去火星

好奇是人类天性。
地球容不下的不止马斯克，还有各位航天发热友。

他们中的一些成了火箭科学家、工程师，心心念念，致力于制造出一枚枚高推力火箭，将人类的足迹扩展到外空间。
据测算，一枚3408吨推力的“土星五号”运载火箭，可以将45吨的载人宇宙飞船送上月球（美国，20世纪中叶）；一枚2940吨推力的“能源号”重型火箭，可以将27吨载荷送到火星和金星（俄罗斯，1987年）；一枚4000吨推力的“长征九号”重型火箭，则可以将37吨载荷轻松送至火星（中国，正在研制中）。

这种火箭只靠充电，39天就能从地球飞到火星！

等离子体火箭可以帮助我们探索更迢遥的太空。
|NASA

作者|李嘉良 中科院高能物理研究所

目前天下各国利用的这些运载火箭都是化学火箭，靠燃烧液态或固态燃料开释巨大能量，排出高温高速气体，让火箭得到巨大推力。
而要奔赴更远的深空，就须要更多燃料。

但火箭储存燃料的空间毕竟有限，燃料过重影响发射怎么办？永劫光太空旅行过程中，燃料供应不敷又该如何办理？

一位来自NASA的华裔航天员张福林，提出了一种新型火箭——等离子体火箭。
这种火箭靠电能推动，以气态的等离子体为“燃料”。
坐上等离子体火箭，从地球到火星只须要39天。

正在方案的“长征九号”火箭（最右）起飞质量超过4000吨，运力和美国“土星五号”火箭大致相称，超过正在研制的美国下一代运载火箭（SLS），完备可以知足未来载人月球探测、火星取样返回、太阳系行星探测等任务。
|Spacenews

飞出地球，以气体为“燃料”

在科幻小说中，翱翔器彷佛能为星际旅行供应全程动力。
可现实中利用的化学火箭须要花费石油、酒精等化学燃料，它们胃口很大，效率却并不高，大部分燃料都被用来摆脱地球引力，根本无法实现为所欲为的星际旅行。

等离子体火箭（VASIMR）则采纳了一种完备不同的思路——利用等离子体加速器作为推动力。

这里先先容一个作甚等离子体。
当物质被加热到足够高温时，个中的原子会电离为带正电的原子核和带负电的电子，形成一团离子状的“浆糊”，也便是等离子体。

等离子体在自然界中普遍存在，炽热的火焰、光辉夺目的闪电，以及绚丽的极光，都是等离子体浸染的结果。
在全体宇宙中，险些99.9%以上的物质（如恒星、行星际空间物质）都以等离子态存在。
因此，它也被称为在气态、液态、固态之外的“物质的第四态”。

用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电等过程，都可产生等离子体。

等离子体在自然界中普遍存在。
例如图中的闪电、氖灯、等离子体球、航天飞机上的等离子体踪迹。
|维基百科

比较于化学火箭燃料重量大，火箭发射过程中燃料本身就可能成为 “累赘”，等离子火箭能用更少的燃料供应更多动力，一旦进入太空，就会像顺风的帆船，逐渐加速翱翔，终极把传统的化学火箭远远抛在身后，在太空中完成各种航天探索任务。

等离子体火箭的发动机以氩气作为等离子体来源。
氩气是一种惰性气体，不易与其他元素发生化学反应，常常在焊接金属时做保护气体，很适宜做等离子体。

其事情事理是：火箭发动机先电离氩气，将其转化为低温等离子体（实在也有5000℃以上）。
随后利用磁铁使电离气体加热、加速，温度达到上百万摄氏度。
再用磁场掌握高温等离子体，使其加速排出火箭尾部，形成巨大推力，助力火箭冲出地球。

等离子体火箭发动机事情事理图。
|来自网络

经推算，安装上等离子体火箭，太空飞船的速率可达每小时约19.8万公里。
比较于传统火箭用250天韶光送宇航员到达火星，等离子体火箭最快可以让宇航员在39天内到达火星，节省大量的燃料、食品、水、空气，宇航员也能摆脱永劫光的宇宙射线辐射。

那么，等离子体火箭到底是如何得到这么高的推进效率呢？这与等离子体被加速的机制有关。

神奇的磁重联机制，从磁场中要能量

等离子体火箭在发动机事情的全过程中，紧张利用磁重联机制加速、加热等离子体束流。

什么是磁重联呢？实在，磁重联是太阳上一个非常主要的快速开释磁能的过程，太阳爆发事宜险些都和磁重联有关，例如耀斑、日冕物质抛射、喷流等。
而且不仅是太阳上，在地球大气层和托卡马克核聚变反应堆内也能看到磁重联征象。

在磁重联过程中，多组方向相反的磁力线相互靠近，并重新连接形成新磁力线。
等离子体火箭利用磁场变革带动磁力线连接和断开，将磁能转化为等离子体的动能、热能和粒子加速度。

磁重联过程中，磁力线断开并重新连接。
|维基百科

但磁重联过程须要有足够大的电能支撑，等离子体火箭须要的电能近数百千瓦。
这么大的电能从哪里来？选择何种供电办法才能知足需求呢？

巨大电能从哪儿来？核能？太阳？

1）核反应堆供电

目前认为，最好的动力来源是核反应堆，因此我们可以设想，等离子体火箭终极将是一个核电火箭发动机。
用核裂变反应堆为等离子体火箭供应电力，能轻松将人们带到火星。

就目前情形而言，等离子发动机的推力仍旧比不上传统火箭，很难将有效载荷从地球带到近地轨道。
不过到了近地轨道，等离子发动机的上风就能显现：如果能够将动力升至200千瓦，将足够供应大约0.45千克的推力——比较火箭的重量，这听起来轻如羽毛，但在太空中，0.45千克的推力可以驱动2吨重的货色。

等离子体火箭须要巨大的电能。
图中为利用核反应堆供能的等离子体火箭。
|维基百科

2）太阳能电池板供电

将火箭供电装置改成太阳能电池板，可以把太阳能转化为电能。
问题是，电池板的效率不足高，如果向深空连续进发或者运载更大重量，就须要增加太阳能利用效率。

研究创造，大型且可控的太阳能电池阵列可以供应高达1千千瓦的功率。
但过大的电池阵对航天器的构型、轨道保持和姿态掌握设计等会带来巨大寻衅。

目前国际空间站的太阳能电池也只能供应百千瓦级的电功率，而且这一结果是在地日间隔下，太阳能在火星以外的区域将大幅衰减。

其余，很多科学家也在研究太阳能供电的宇宙飞船——太阳帆，期待未来有一天能利用太阳帆探索太空。

供应上百千瓦电力的国际空间站。
|来自网络

与太阳能电池比较，空间核反应堆电源的优点在于它是自主电源，不依赖阳光，且储能极高；适用功率范围广，可以覆盖千瓦乃至兆瓦以上功率输出。
缺陷则是，从安全和技能角度考虑，核反应堆供电的技能哀求很高，工程成本相对较大，工期长。

目前核电可以有效知足航天任务日益增长的能源需求。
随着空间技能的发展，大功率卫星、深空探测等都须要大功率长久耐用的供电办法。
比较之下，太阳能电池供电还有很长的路要走。

太空中的等离子体火箭。
|AdAstraRocketCompany

记得小时候，乘坐普速火车从北京去上海须要数十个小时，现在具有更高性能的高铁仅用4个多小时就可以。

同理，摆脱传统能源依赖，改为靠电能推动的“电火箭”，不仅推动自己更快地奔向火星，还推动了天下航天科技的发展。

相信我们终有一天会战胜技能瓶颈，研发出更高性能的“电火箭”，更加方便快捷地奔赴太空旅行，去探索太空深处不为人知的奥秘。

参考资料

VASIMR Human Mission to Mars， Franklin R。
Chang Diaz， et al。
http://www.adastrarocket.com/Andrew-SPESIF-2011.pdf